DN3800甲醇合成塔的设计研究

【摘 要】在金融环境日益恶劣的大环境下，煤化工行业竞争日趋激烈，化肥产品供大于求，降低产品成本迫在眉睫，核心产品能否更新换代，直接影响化工企业的生存发展。本文从提高甲醇单元产量目的出发，对甲醇合成塔的设计更新提出一些新思路、新方案，以期能够降低能耗，扩大产能。

【关键词】甲醇合成塔；结构特点；设计过程

随着我国煤化工产业的不断发展，甲醇的单元产量不断增加，其核心设备甲醇合成塔的规格也不断增大。四川蓝星机械有限公司为山东联盟化工股份有限公司制造2台DN3800甲醇合成塔，这是我公司首次研制的最大规格DN3800甲醇合成塔，甲醇合成塔是合成气制甲醇装置中的关键设备，甲醇合成塔的制造水平直接影响到甲醇产品的产量和质量。

一、DN3800甲醇合成塔结构特点

甲醇合成塔是甲醇装置中的大型关键设备，是一个固定床列管式反应器，其结构见图1。设备直径DN3800，反应管为φ44 ×2，其长度为7000mm，共4310 根，催化剂床层高度为7000mm。甲醇合成塔的上下封头，采用半球封头。上封头反应气进口处设置气体分布器，在管板的上部装填一层600mm触媒C302 φ5×5，触媒C302上部填装φ10惰性氧化球。下管板下面装填耐火球φ10。

图1 DN3800甲醇合成塔

二、DN3800甲醇合成塔的设计过程

（一）主要设计条件及参数见表1

（二）材料的选择

材料的选择主要考虑甲醇合成塔工作过程中的介质特性和工艺条件，以及设备制造过程中材料的焊接性、工艺性和经济性（表2）

表2 材料选择

零件名称 材料名称 规格mm

球形封头 13MnNiMoR（正火+ 回火） δ80（包括冲压减薄量）

壳程筒体 13MnNiMoR（正火+ 回火） δ60

壳程加强筒体 13MnNiMoR（正火+ 回火） δ100

管程筒体 13MnNiMoR（正火+ 回火） δ100

反应管双相不锈钢 上钢五厂生产的SAF2205 φ44×2

上下管板 20MnMo Ⅳ堆焊不锈钢 δ（120 + 7）

法兰/补强管锻件 20MnMo Ⅲ

（三）遵循的规范及技术要求：按GB150―2011、GB151―1999、HG/T20584 ―2011的要求制造、检验、验收，并接受TSG R0004-2009《固定式压力容器安全技术监察规程》的监督，同时应满足设计图样提出的技术要求。

表1 主要设计条件及参数

（四）简体与管板的焊接结构的设计

管板与简体的焊接结构如图2所示。根据甲醇合成塔工作程序，在操作反应前先要将催化剂颗粒装填在每根换热管内，催化剂需要定期更换，从操作工艺条件上讲，管箱简体与管板之间采用法兰连接比较合理，但是由于其直径较大，如果采用法兰连接将存在以下不利因素：

1、大直径法兰的密封性较难保证，若操作失误易造成严重泄漏，且大直径法兰的成本造价高。

2、大直径法兰的密封垫片加工困难。为了防止设备工作过程中的密封泄漏，减少法兰力矩对管板的影响，降低制造成本，采用不兼做法兰的管板结构最为合理。（详见图2）

3、填料支撑弹簧的设计

由于甲醇合成塔的反应过程在装填催化剂的换热管中进行，因此对换热管中催化剂支承设计是相当重要的。弹性挡圈起破坏沸腾液膜的作用，目的是提高膜传热系数，设计材料0Cr18Ni9在保证其使用寿命的前提下，既保证弹性挡圈张开一定角度后套入反应管上能恢复原状，又能很好地固定在反应管上；以利于传热弹簧结构装拆容易，加工方便，阻力降较小，稳定性好，能够承受较大载荷，可以防止共振现象发生。填料支撑弹簧结构见图3：

图2 管板与管箱筒节及壳体加强筒体的焊接接头

图3 支撑弹簧结构示意图

4、增大管箱空间

在设计时在管箱封头处开设人孔并适当增大管箱空间结构形式，以方便安装维修人员进入合成塔内进行催化剂的装填和对合成塔的检查与维修，同时也节省了设备制造费用。

5、提高传热膜系数

为使进入壳程时均匀且稳定地分布，脱盐水人口采用了环形管路和圆扁管人口设计；同时，在反应管的指定位置上设置安装了防膜弹性挡圈以破坏沸腾液膜，提高传热膜系数以利于传热。

6、反应管与管板的连接结构设计

反应管与管板的焊接接头（图4）的强度和密封性是设计的关键点之一。对于堆焊管板的场合、密封性能要求较高的场合、承受振动和疲劳载荷的场合、有间隙腐蚀的场合，一般采用胀焊并并用。由于本设备的工作温度280℃ ，对于管板与换热管的拉脱强度和密封性要求较高，因此反应管与管板采用强度焊加贴胀的连接方式，既满足温度要求，也满足强度及密封性要求，也避免设备在工作中出现振动、问隙腐蚀等影响反应管与管板焊接接头强度及密封性的情况。为了保证制造过程中的焊接和密封性能，从设计角度对反应管与管板的焊接和胀接过程提出以下控制要求：

（1）反应管与管板的焊接选用氩弧焊。先将反应管与管板点焊，然后分区焊接，管束在焊完第一道焊缝并经氨渗透试验合格后再焊接第二道焊缝，并要求第二道焊缝起弧点与第一道焊缝起弧点交错180。，且第二道焊缝要全部覆盖第一道焊缝。

（2）由于管板厚度较厚，有冷作硬化倾向，规定在胀管时采用液压胀管方式，以避免管子内壁产生冷作裂纹，且控制贴胀量小于6%。为了确保贴胀的质量，对换热管与管板的贴胀要求做模拟胀接工艺试验。工艺试验时：

① 测定胀管输入压力；

② 检查换热管贴胀部分：不允许有剥离、皱折、刮伤和过度硬化等现象发生。

图4 反应管与管板焊接示意图

7、壳体上的接管开孔形式

壳体上的接管开孔均采用整体补强形式，为降低焊接接头处的应力集中，接管（补强管）插入简体并与其内壁齐平，焊接接头采用双面焊的全焊透形式，不允许有明显的凹坑存在；焊角接头应圆滑过渡，保证圆角，接管（补强管）内壁根部应保证倒圆角尺。

8、管法兰的选用

由于管程介质为易燃易爆的中度危害气体，且管程和壳程的操作压力均较高，为保证介质不泄漏，管程和壳程的管法兰均选用凹凸面长颈对焊法兰。

9、塔体不设置安全附件

本设备壳程与汽包连通使用，汽包上已设置了安全泄放装置和压力表等安全附件；在管程进气口管路上已设置了安全泄放装置和压力表，所以，甲醇合成塔本身在设计中不再设置安全附件。

10、强度计算

管箱封头、筒节、壳程简体、管板以及开孔补强等强度计算依据GB150-1998进行，根据SW6-2011 V1.0《压力容器强度设计软件包》计算结果，确定各零部件的计算厚度和名义厚度。

11、设备制造检验的基本要求

设备制造检验的基本要求见表3。

表3 设备制造检验的基本要求见

注：1）焊接完成24 h后和水压试验后，对焊缝外表面按JB/T4730.4―2005进行100%MT检测，I级合格。

2）堆焊表面及堆焊后表面分别按JB/T4730.5―2005进行100%PT检测，I级合格。

为了进一步确认保证换热管与管板连接处密封的可靠稳定，在管程和壳程分别进行水压试验合格后，对壳程气密性试验特别提出采用灵敏度高的内部充氦法进行检漏，要求泄漏不大于10-5Pa.m 3/s。

三、甲醇合成塔的优点和特色

（一）反应热利用合理，提高了能源再利用效率。

（二）全塔几乎处在等温反应条件下操作，其温度由汽包压力控制，操作方便，操作弹性大。

（三）适用于低温活性较高的催化剂，催化剂使用寿命较长。

（四）当入塔气中含有毒物时，中毒的是绝热层催化剂，因绝热层直径大，中毒区的床高不会很高。

四、结语

甲醇合成塔自设备投产后，运行情况一直良好，说明其选材、设计强度和结构完全满足产品的工艺要求和生产能力，为同类产品设计提供了参考经验。另外，该产品虽然从尺寸上增加，但其产能降低的成本与同比例尺寸设备增加成本要低得多。但在具体生产制造的过程中，发现设计还存在一定的小问题，笔者将在以后的设计工作中，尽量考虑更加仔细，尽量降低产品成本，为公司增加利润增长点做出应有贡献。

参考文献：

[1] GB150-1998《钢制压力容器》[S].

[2]《压力容器安全监察技术规程》1999版.

[3] NB/T47015-2011《压力容器焊接规程》[S].

[4] GB151-1999《管壳式换热器》[S].

[5] GB713-2008《锅炉和压力容器用钢板》[S].

[6] 汪丽瑛，邢卓.铁镍基合金Incoloy Alloy825的焊接[J].现代焊接，2008.

作者简介：

罗 静（1970―），女，四川大竹人，工程师，研究方向：化工压力容器设计与制造。

代 青（1972―），男，四川什邡人，工程师，研究方向：化工压力容器设计与制造。